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沈阳单片机开发网——帮您精确掌握电子器件的使用细节及其应用作者：郑启忠朱宏辉【摘要】nRF24Z1是Nordic半导体公司推出的2.4GHz无线数字音频收发芯片。本文介绍了用nRF24Z1组成音频系统的基本框架，详细阐述了该芯片的音频发射器、音频接收器、音频输入接口、音频输出接口、芯片控制接口和中断输出等模块的结构，分析了射频协议、射频初始化方法和跳频通信方法，并给出应用电路原理图和讲述PCB制板的经验。在文章的最后，对全文进行了总结。【关键词】射频，nRF24Z1，无线通信，音频，应用1.引言nRF24Z1是挪威Nordic半导体公司于2005年推出的单片式CD（CompactDisc，光盘）音质无线数字音频芯片，其能以24位48kHz的速度处理数字音频流。芯片工作于2.4GHz自由频段，工作电压为2.0~3.6伏，片内集成了电压管理器，能够最大限度地抑制噪声。nRF24Z1有I2S串行接口和S/PDIF接口（索尼/菲利浦数字接口）两种数字音频接口，I2S提供了与各种低成本的A/D（模/数转换）和D/A（数/模转换）的无缝连接，S/PDIF接口提供了与PC和环绕设备的直接接口。通过SPI或I2C接口来对芯片进行控制。同时还提供了控制信息如音量，平衡，显示等双向传输的功能，是一个使用、性能、成本相结合的数字音频芯片。可应用于CD无线耳机、无线音箱、MP3无线耳机、无线音频下载器等系统中。2.无线音频系统nRF24Z1能够以高达1.54Mbit/s的速率处理音频流，音频数据的输入/输出、射频协议和射频连接等工作由片内的硬件完成。图1所示为使用nRF24Z1的无线音频系统的结构框图，在该系统中，只需使用简单的或低速的微控制器或DSP(数字信号处理器)即可完成系统的控制，微控制器通常通过串行口或并行口控制一些简单的任务，如音量调节等。图1使用nRF24Z1的无线音频系统框图由图1可见，音频数据的传输是由一对nRF24Z1实现的，音频数据最终提供给接收端的立体声DAC(数模转换器)。nRF24Z1的初始配置由微控制器通过SPI或I2S接口进行控制。在接收端，外围电路如DAC的控制可以由发送端的nRF24Z1通过控制信道进行控制[1]。如果设计中没有使用微控制器，则配置数据可以通过片外的EEPROM/FLASH存储器进行加载。在无线音频流处理系统中，音频数据的流向总是从声源(如CD播放器)到声宿(如扬声器)。本系统中，在声源端使用nRF24Z1进行音频数据的发送，在声宿端使用nRF24Z1进行音频数据的接收。鉴于上述的收发差异性，nRF24Z1可能通过MODE引脚设置其工作于发射器模式或接收器模式，这两种模式下，nRF24Z1片内工作的模块和I/O引脚功能都有很大差异。1沈阳单片机开发网——帮您精确掌握电子器件的使用细节作为音频发射器时，MODE引脚必须置为高电平。nRF24Z1作为音频发射器时，其片内功能结构如图2所示。I2S接口或S/PDIF接口可以用作音频数据的输入接口。I2S接口由CLK、DATA和WS三个引脚组成，S/PDIF接口只需要SPDIO一个引脚，在声源与nRF24Z1距离比较近时，推荐使用I2S接口，反之，推荐使用S/PDIF接口。图2nRF24Z1作为音频发射器时的功能结构图3.1.1音频输入接口音频发射器的I2S接口支持8、11.025、12、16、22.05、24、32、48和96kHz多种接口速率，音频数据可以采用16位、20位或24位三种数字格式。nRF24Z1同时也可以用于模拟声源的数据采样，其采样频率为256Hz，此时，MCLK引脚作为模数转换器的采样时钟引脚。S/PDIF接口支持32、44.1和48kHz三种采样速率，音频数据可以采用16位、20位或24位三种数字格式。3.1.2控制接口当使用外部微控制器来控制nRF24Z1时，音频发射器与音频接收器的配置和控制数据可以通过标准2线接口或SPI接口提供，这两个接口也可用于从音频接收器读回状态信息。这两个接口的寄存器地址相同，不能同时使用。2线接口和SPI接口通过SSEL引脚选用，SSEL引脚为低时选用SPI接口，SSEL引脚为高时，选用标准2线接口。当不使用外部微控制器来控制nRF24Z1时，可以在SPI接口或标准2线接口外挂EEPROM或FLASH存储器，nRF24Z1在上电或复位时，从存储器读取默认的配置数据。3.1.3直接数据输入引脚nRF24Z1音频发射器有两个通用输入引脚DD1和DD0，当SSEL引脚为高，DD2引脚和DD1、DD0引脚一起用于直接数据输入，此时，音频接收器端的DO2、DO1和DO0三个引脚的信号为DD2、DD1和DD0引脚的镜像。这些用于控制音频接收器的一些外部开关，这样，音频接收器在没有微控制器的参与也能实现一些简单功能(如音量开关)的控制。2沈阳单片机开发网——帮您精确掌握电子器件的使用细节检测到没有音频输入、射频连接断开等信息时，其可以通过IRQ引脚给微控制器提供中断信号，此时，微控制器可以通过控制接口读取nRF24Z1的状态信息。3.2音频接收器nRF24Z1用作音频接收器时，MODE引脚必须为低电平。nRF24Z1作为音频接收器时，其片内功能结构如图3所示。此时，I2S接口或S/PDIF接口用作音频数据或其它实时数据的输出接口。图3nRF24Z1作为音频接收器时的功能结构图射频连接建立后，用户可以通过音频发射器控制音频接收器的SPI接口或标准2线接口。这个特性使音频发射器能够对音频接收器的DAC和放大器实现遥控。3.2.1音频输出接口音频接收器的I2S接口支持8、11.025、12、16、22.05、24、32和48kHz多种接口速率，音频数据为16位格式。在音频接收器模式下，MCLK引脚给外部DAC(数模转换器)256Hz的输出频率。音频接收器的S/PDIF接口支持32、44.1和48kHz三种采样速率，音频数据可以采用16位或24位三种格式。3.2.2控制接口可以在SPI接口或标准2线接口外挂EEPROM或FLASH存储器，nRF24Z1在上电或复位时，从存储器读取默认的配置数据。如果没有外挂存储器，芯片将使用其自身的默认值。在音频接收器的配置中，SPI接口可以工作于1MHz或0.5MHz的速率。当音频接收器与音频发射器建立了射频连接之后，用户可以通过音频发射器来控制音频接收器的SPI接口。在重新启动时，音频接收器的2线接口工作于100kHz的速率，之后，用户可以通过音频发射器配置其工作于100kHz、400kHz或1MHz。与音频发射器一样，nRF24Z1音频接收器工作于SPI接口还是标准2线接口，是由SSEL引脚的电平决定的。3沈阳单片机开发网——帮您精确掌握电子器件的使用细节的射频协议完全由其片内硬件处理，用户只需配置射频通信的地址长度和接收器的地址。协议地址长度最大为5个字节，地址的内容存放在片内存储器ADDR0~ADDR5，5个字节依次存放，低字节在前，高字节在后。4.2射频连接初始化在射频连接建立之前，音频发射器在所有可用的频道上，反复地向音频接收器发送搜索信息包，在每个频道上搜索一段时间，以使音频接收器能够接收和处理搜索信息。与此同时，音频接收器也在所有可用的频道上监听信息，每个频道监听一段时间，一旦监听到来自音频发射器的搜索信息包，音频接收器发送应答信息，音频接收器和音频发射器都锁定该频道，以准备通信。nRF24Z1的这种连接方式有助于防止干扰，减少与在2.4G频段上工作的其它射频设备之间的通信碰撞。4.3跳频通信为了提高射频通信的抗干扰性和可靠性，nRF24Z1支持自适应跳频通信。nRF24Z1具有38个自适应通信的工作频率，各个频率分别由跳频寄存器CH0~CH37控制。在跳频时，nRF24Z1根据跳频寄存器中的内容，按顺序改变工作频率，也就是说，当CH0的频率受到干扰而无法进行射频连接时，nRF24Z1会使用CH1进行连接，如果CH1受到干扰，则使用CH2，依次类推。因此，在跳频通信之前，各个跳频寄存器要通过外部EEPROM或微控制器进行初始化。如果想CH0对应于频率2420MHz，则只需在CH0寄存器中写入20，如果想CH0对应于频率2440MHz，则只需在CH0寄存器中写入40，这样，在跳频通信时，芯片就能够按顺序跳频到相应的频道。5.应用详述图4——nRF24Z1发射器的硬件原理4沈阳单片机开发网——帮您精确掌握电子器件的使用细节所示，nRF24Z1使用SPI接口与外部微控制器进行数据传输，使用I2S接口与音频采样设备连接。ANT1和ANT2两个引脚为nRF24Z1的天线引脚，射频信号从这两个引脚平衡输出。由图4可知，VDD_PA引脚给天线部分提供直流电源。当ANT1和ANT2引脚的两端负载阻抗随输出功率的变化而改变，目标输出功率为芯片的最大输出功率0dbm时，该两引脚的负载阻抗最好是100Ω+j175Ω，在一般应用中，可使用50Ω简单负载匹配网络。图4中，电阻R3可以保证当微控制器复位时，nRF24Z1寄存中的内容保持不变，电阻R4用于防止SPI接口的误激活，这两个电阻在使用中可以省去，但这样做会降低系统的稳定性。电阻R2为nRF24Z1提供参考电流，该电阻为22kΩ时，芯片的通信性能最优，改变该电阻的阻值会影响芯片的通信性能。DVDD引脚为nRF24Z1片内数字供电电压的可调整输出引脚，该引脚的主要作用是为芯片提供去耦通路。在应用中，DVDD引脚需要接一个33nF的电容到数字地，而不能用于为其它片外器件的提供电源，也不能直接和VDD引脚连在一起。PCB(印制电路板)的设计对整个nRF24Z1通信系统的射频性能影响很大，PCB设计不好，可能会造成通信误码率高或发射功率达到目标值，直接影响射频通信的距离。根据Nordic公司的推荐，nRF24Z1的电路板至少用两层板，直流供电电源模块尽量靠近VDD引脚，尽量避免电源线过长，以减少因电路板工作过程中，因线路耦合带入过大的干扰[3]。直流供电电源模块应该并接一个4.7uF的电容到数字地，以达到稳压和滤波的目的。此外，应该把nRF24Z1的电源跟电路板上其它器件的电源隔离开，以减少因其它器件工作过程中电流变化所产生的干扰。nRF24Z1芯片的所有VSS引脚应该直接连接到数字地敷铜层，并在这些引脚附近打些过孔，以使顶层和底层间的敷铜层连接良好。数字控制信号线最好能够离晶振部分和电源部分远些。总之，在设计PCB时，主要考虑周围元器件的布置、天线匹配网络、走线、电路板的体积和敷铜等方面的影响，设计者可以从Nordic公司的网站更多的参考资料。6.结论根据应用的需求，挪威Nordic半导体公司推出的CD音质的2.4GHz无线数字音频收发芯片nRF24Z1，给无线音频处理系统提供低成本的选择，很好的满足了市场的需求。本文基于应用的目的，从技术的角度阐述了nRF24Z1，为音频系统设计师提供技术参考。nRF24Z1在音频处理系统中会得到更广泛的应用。5